缓存原理与微服务缓存自动管理

2020-12-30 13:37:12 +08:00
 kingxt

为什么需要缓存？

先从一个老生常谈的问题开始谈起：我们的程序是如何运行起来的？

  1. 程序存储在 disk 中
  2. 程序是运行在 RAM 之中，也就是我们所说的 main memory
  3. 程序的计算逻辑在 CPU 中执行

来看一个最简单的例子：a = a + 1

  1. load x:
  2. x0 = x0 + 1
  3. load x0 -> RAM

上面提到了 3 种存储介质。我们都知道，三类的读写速度和成本成反比，所以我们在克服速度问题上需要引入一个 中间层。这个中间层，需要高速存取的速度，但是成本可接受。于是乎，Cache 被引入

而在计算机系统中，有两种默认缓存：

缓存读写策略

引入 Cache 之后，我们继续来看看操作缓存会发生什么。因为存在存取速度的差异「而且差异很大」，从而在操作数据时，延迟或程序失败等都会导致缓存和实际存储层数据不一致。

我们就以标准的 Cache+DB 来看看经典读写策略和应用场景。

Cache Aside

先来考虑一种最简单的业务场景，比如用户表：userId:用户 id, phone:用户电话 token，avtoar:用户头像 url，缓存中我们用 phone 作为 key 存储用户头像。当用户修改头像 url 该如何做？

  1. 更新DB数据，再更新Cache 数据
  2. 更新 DB 数据，再删除 Cache 数据

首先 变更数据库 和 变更缓存 是两个独立的操作，而我们并没有对操作做任何的并发控制。那么当两个线程并发更新它们的时候，就会因为写入顺序的不同造成数据不一致。

所以更好的方案是 2：

这个策略就是我们使用缓存最常见的策略：Cache Aside。这个策略数据以数据库中的数据为准，缓存中的数据是按需加载的，分为读策略和写策略。

但是可见的问题也就出现了：频繁的读写操作会导致 Cache 反复地替换，缓存命中率降低。当然如果在业务中对命中率有监控报警时，可以考虑以下方案：

  1. 更新数据时同时更新缓存，但是在更新缓存前加一个 分布式锁。这样同一时间只有一个线程操作缓存，解决了并发问题。同时在后续读请求中时读到最新的缓存，解决了不一致的问题。
  2. 更新数据时同时更新缓存，但是给缓存一个较短的 TTL。

当然除了这个策略，在计算机体系还有其他几种经典的缓存策略，它们也有各自适用的使用场景。

Write Through

先查询写入数据 key 是否击中缓存，如果在 -> 更新缓存，同时缓存组件同步数据至 DB ；不存在，则触发 Write Miss。

而一般 Write Miss 有两种方式：

在 Write Through 中，一般采取 No-write allocate 。因为其实无论哪种，最终数据都会持久化到 DB 中，省去一步缓存的写入，提升写性能。而缓存由 Read Through 写入缓存。

这个策略的核心原则：用户只与缓存打交道，由缓存组件和 DB 通信，写入或者读取数据。在一些本地进程缓存组件可以考虑这种策略。

Write Back

相信你也看出上述方案的缺陷：写数据时缓存和数据库同步，但是我们知道这两块存储介质的速度差几个数量级，对写入性能是有很大影响。那我们是否异步更新数据库？

Write back 就是在写数据时只更新该 Cache Line 对应的数据，并把该行标记为 Dirty。在读数据时或是在缓存满时换出「缓存替换策略」时，将 Dirty 写入存储。

需要注意的是：在 Write Miss 情况下，采取的是 Write Allocate，即写入存储同时写入缓存，这样我们在之后的写请求只需要更新缓存。

async purge 此类概念其实存在计算机体系中。Mysql 中刷脏页，本质都是尽可能防止随机写，统一写磁盘时机。

Redis

Redis是一个独立的系统软件，和我们写的业务程序是两个软件。当我们部署了Redis 实例后，它只会被动地等待客户端发送请求，然后再进行处理。所以，如果应用程序想要使用 Redis 缓存，我们就要在程序中增加相应的缓存操作代码。所以我们也把 Redis 称为 旁路缓存，也就是说：读取缓存、读取数据库和更新缓存的操作都需要在应用程序中来完成。

而作为缓存的 Redis，同样需要面临常见的问题：

替换策略

一般来说，缓存对于选定的被淘汰数据，会根据其是干净数据还是脏数据，选择直接删除还是写回数据库。但是，在 Redis 中，被淘汰数据无论干净与否都会被删除，所以，这是我们在使用 Redis 缓存时要特别注意的：当数据修改成为脏数据时，需要在数据库中也把数据修改过来。

所以不管替换策略是什么，脏数据有可能在换入换出中丢失。那我们在产生脏数据就应该删除缓存，而不是更新缓存，一切数据应该以数据库为准。这也很好理解，缓存写入应该交给读请求来完成；写请求尽可能保证数据一致性。

至于替换策略有哪些，网上已经有很多文章归纳之间的优劣，这里就不再赘述。

ShardCalls

并发场景下，可能会有多个线程（协程）同时请求同一份资源，如果每个请求都要走一遍资源的请求过程，除了比较低效之外，还会对资源服务造成并发的压力。

go-zero 中的 ShardCalls 可以使得同时多个请求只需要发起一次拿结果的调用，其他请求"坐享其成"，这种设计有效减少了资源服务的并发压力，可以有效防止缓存击穿。

对于防止暴增的接口请求对下游服务造成瞬时高负载，可以在你的函数包裹：

fn = func() (interface{}, error) {
  // 业务查询
}
data, err = g.Do(apiKey, fn)
// 就获得到 data，之后的方法或者逻辑就可以使用这个 data

其实原理也很简单：

func (g *sharedGroup) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
  // done: false，才会去执行下面的业务逻辑；为 true，直接返回之前获取的 data
  c, done := g.createCall(key)
  if done {
    return c.val, c.err
  }
  
  // 执行调用者传入的业务逻辑
  g.makeCall(c, key, fn)
  return c.val, c.err
}

func (g *sharedGroup) createCall(key string) (c *call, done bool) {
  // 只让一个请求进来进行操作
  g.lock.Lock()
  // 如果携带标示一系列请求的 key 在 calls 这个 map 中已经存在，
  // 则解锁并同时等待之前请求获取数据，返回
  if c, ok := g.calls[key]; ok {
    g.lock.Unlock()
    c.wg.Wait()
    return c, true
  }
  
  // 说明本次请求是首次请求
  c = new(call)
  c.wg.Add(1)
  // 标注请求，因为持有锁，不用担心并发问题
  g.calls[key] = c
  g.lock.Unlock()

  return c, false
}

这种 map+lock 存储并限制请求操作，和groupcache中的 singleflight 类似，都是防止缓存击穿的利器

源码地址：sharedcalls.go

缓存和存储更新顺序

这是开发中常见纠结问题：到底是先删除缓存还是先更新存储？

情况一：先删除缓存，再更新存储；

  • A 删除缓存，更新存储时网络延迟
  • B 读请求，发现缓存缺失，读存储 -> 此时读到旧数据

这样会产生两个问题：

既然是缓存可能是旧值，那就不管删除。有一个并不优雅的解决方案：在写请求更新完存储值以后，sleep() 一小段时间，再进行一次缓存删除操作。

sleep 是为了确保读请求结束，写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据，当然也要考虑到 redis 主从同步的耗时。不过还是要根据实际业务而定。

这个方案会在第一次删除缓存值后，延迟一段时间再次进行删除，被称为：延迟双删。

情况二：先更新数据库值，再删除缓存值：

  • A 删除存储值，但是删除缓存网络延迟
  • B 读请求时，缓存击中，就直接返回旧值

这种情况对业务的影响较小，而绝大多数缓存组件都是采取此种更新顺序，满足最终一致性要求。

情况三：新用户注册，直接写入数据库，同时缓存中肯定没有。如果程序此时读从库，由于主从延迟，导致读取不到用户数据。

这种情况就需要针对 Insert 这种操作：插入新数据入数据库同时写缓存。使得后续读请求可以直接读缓存，同时因为是刚插入的新数据，在一段时间修改的可能性不大。

以上方案在复杂的情况或多或少都有潜在问题，需要贴合业务做具体的修改。

如何设计好用的缓存操作层？

上面说了这么多，回到我们开发角度，如果我们需要考虑这么多问题，显然太麻烦了。所以如何把这些缓存策略和替换策略封装起来，简化开发过程？

明确几点：

我们从读和写两个角度去聊聊 go-zero 是如何封装。

QueryRow

// res: query result
// cacheKey: redis key
err := m.QueryRow(&res, cacheKey, func(conn sqlx.SqlConn, v interface{}) error {
  querySQL := `select * from your_table where campus_id = ? and student_id = ?`
  return conn.QueryRow(v, querySQL, campusId, studentId)
})

我们将开发查询业务逻辑用 func(conn sqlx.SqlConn, v interface{}) 封装。用户无需考虑缓存写入，只需要传入需要写入的 cacheKey。同时把查询结果 res 返回。

那缓存操作是如何被封装在内部呢？来看看函数内部：

func (c cacheNode) QueryRow(v interface{}, key string, query func(conn sqlx.SqlConn, v interface{}) error) error {
 cacheVal := func(v interface{}) error {
  return c.SetCache(key, v)
 }
 // 1. cache hit -> return
  // 2. cache miss -> err
 if err := c.doGetCache(key, v); err != nil {
    // 2.1 err defalut val {*}
  if err == errPlaceholder {
   return c.errNotFound
  } else if err != c.errNotFound {
   return err
  }
  // 2.2 cache miss -> query db
    // 2.2.1 query db return err {NotFound} -> return err defalut val 「 see 2.1 」
  if err = query(c.db, v); err == c.errNotFound {
   if err = c.setCacheWithNotFound(key); err != nil {
    logx.Error(err)
   }

   return c.errNotFound
  } else if err != nil {
   c.stat.IncrementDbFails()
   return err
  }
  // 2.3 query db success -> set val to cache
  if err = cacheVal(v); err != nil {
   logx.Error(err)
   return err
  }
 }
 // 1.1 cache hit -> IncrementHit
 c.stat.IncrementHit()

 return nil
}

从流程上恰好对应缓存策略中的：Read Through。

源码地址：cachedsql.go

Exec

而写请求，使用的就是之前缓存策略中的 Cache Aside -> 先写数据库，再删除缓存。

_, err := m.Exec(func(conn sqlx.SqlConn) (result sql.Result, err error) {
  execSQL := fmt.Sprintf("update your_table set %s where 1=1", m.table, AuthRows)
  return conn.Exec(execSQL, data.RangeId, data.AuthContentId)
}, keys...)

func (cc CachedConn) Exec(exec ExecFn, keys ...string) (sql.Result, error) {
 res, err := exec(cc.db)
 if err != nil {
  return nil, err
 }

 if err := cc.DelCache(keys...); err != nil {
  return nil, err
 }

 return res, nil
}

和 QueryRow 一样，调用者只需要负责业务逻辑，缓存写入和删除对调用透明。

源码地址：cachedsql.go

线上的缓存

开篇第一句话：脱离业务将技术都是耍流氓。以上都是在对缓存模式分析，但是实际业务中缓存是否起到应有的加速作用？最直观就是缓存击中率，而如何观测到服务的缓存击中？这就涉及到监控。

下图是我们线上环境的某个服务的缓存记录情况：

还记得上面 QueryRow 中：查询缓存击中，会调用 c.stat.IncrementHit()。其中的 stat 就是作为监控指标，不断在计算击中率和失败率。

源码地址：cachestat.go

在其他的业务场景中：比如首页信息浏览业务中，大量请求不可避免。所以缓存首页的信息在用户体验上尤其重要。但是又不像之前提到的一些单一的 key，这里可能涉及大量消息，这个时候就需要其他缓存类型加入：

  1. 拆分缓存：可以分 消息 id -> 由 消息 id 查询消息，并缓存插入消息 list中。
  2. 消息过期：设置消息过期时间，做到不占用过长时间缓存。

这里也就是涉及缓存的最佳实践：

总结

本文从缓存的引入，常见缓存读写策略，如何保证数据的最终一致性，如何封装一个好用的缓存操作层，也展示了线上缓存的情况以及监控。所有上面谈到的这些缓存细节都可以参考 go-zero 源码实现，见 go-zero 源码的 core/stores。

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3 条回复
baiyi
2020-12-30 13:42:30 +08:00
这推广方式挺烦人的
DoctorCat
2020-12-30 13:49:25 +08:00
不算干货。关于 cache 这几段拼接有点牵强啊。
CEBBCAT
2020-12-30 15:57:55 +08:00
提个建议啊，能不能和论文前边那个摘要一样，简单讲讲文章的脉络

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